基于生态功能重要性和敏感性的安徽省生态安全格局构建

宋伟东

(1.安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽 芜湖 241002；2.江淮流域地表过程与区域响应安徽省重点实验室，安徽 芜湖 241002)

随着社会经济和人口数量的快速增长，生态环境恶化的情况逐渐加剧，水土流失、生物多样性减弱和土地沙漠化等问题频发，已经严重威胁区域生态安全和可持续发展，生态安全问题已经成为关系人民福祉和民族未来的大事，如何保障生态系统的安全和稳定已经成为目前社会各界关注的热点[1-3]。生态安全格局是指以景观生态学为理论基础，针对不同的生态问题，考虑生态用地与生态过程、功能之间的关系，通过生态用地数量、位置以及形态对关键生态功能的影响，识别关键的生态源地和生态廊道，改善和保护区域生态环境问题，为生态环境和城市发展提供空间保障[4-5]。

俞孔坚较早结合景观生态学和生物保护学之间特点，揭示了景观结构间的关系[6-7]。不同学者通过生态用地[8-9]、形态学[10]、生态安全因子[11]和景观功能[12]等方面来进行生态安全格局的构建。近年来，生态安全格局构建的方法愈发成熟，国内外对于生态安全格局的构建也由单一的指标叠加逐渐转向利用“生态源地识别-生态阻力面构建-生态廊道提取”的框架[13-16]。但大部分研究集中于市域或者更小尺度的研究[17-20]，多数学者运用的方法集中于灰色聚类法等指标体系的模型，并且研究对象针对单一地类，基于生态源地和廊道相关研究尚不多见[21-26]。而生态安全问题的产生和发展并不完全受行政边界制约，自然空间的连续性、生态系统服务的空间流动性，都决定了生态安全格局的构建需要考虑更大地域空间范围。另外，对于指标体系模型中，评价指标的选取也存在不同[27]。

近年来，安徽省经济增长的同时生态环境问题却日渐显著。因此，对安徽省构建生态安全格局具有重要意义。目前对安徽省生态安全格局仅仅从生态功能区进行构建[28-29]。因此，本研究基于生态功能重要性和生态敏感性两方面的评价方法[30]，对安徽省生态源地和生态廊道进行识别，针对不同类型的生态源地提出相应的保护措施，来构建安徽省生态安全格局。

1 研究区域概况和数据来源

1.1 研究区概况

安徽省地属华东地区，东临长三角，西接中部。跨长江、淮河和钱塘江三大流域，地形由平原、山地和丘陵相间排列。气候属于暖温带向亚热带的过渡型气候。2015年底，安徽省户籍人口达到6 949万人，全省GDP为22 005.63亿元，2000-2015年间，GDP年平均增长率为12%。

1.2 数据来源

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，分辨率为100 m；降雨、气温和风速数据来自安徽省气象局和中国气象数据网(2000-2015年)；NPP选用2000-2015年的MOD17A3数据，分辨率为1 km；NDVI数据为2000-2015年的MYD13A1；数字高程模型选用来源于地理空间数据云的SRTMDEM，空间分辨率为90 m。土壤数据来自于南京土壤所土壤调查数据，数据分辨率为1 km。最终图像分辨率统一为1 km。

2 研究方法

2.1 生态安全格局要素评价方法

生态系统服务是指“生态系统与生态过程所形成和维持的人类赖以生存的自然生态环境条件与效用”，是人类通过生态系统的结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务[31-32]。一个区域的生态系统服务功能的高低关系到这个地区的生态安全、生态产品供给和生态抵抗退化的能力。本研究通过水源涵养、水土保持和生物多样性三方面对安徽省生态系统服务功能重要性进行评价。计算方法如表1所示。

生态敏感性是指生态系统抵抗人类活动干扰和环境变化的响应程度和在发生生态退化时自我修复的能力，敏感性的高低反映了该区域在受到外界影响时，发生生态问题的可能性大小[22]。通过对安徽省水土流失、土地沙漠化和石漠化三方面的评价。计算方法如表2所示。

表1 生态重要性评价因子计算公式

表2 生态敏感性评价因子计算公式

2.2 生态源地识别

生态源地一般由生态系统服务功能较重要、生态敏感性较高的斑块组成[11]。本文根据安徽省自身的地理环境和生态系统服务功能重要性与敏感性的计算方法，来判别生态源地，对研究区的各生态重要性评价因子和生态敏感性评价因子归一化后相加，将其相加结果分成极重要、重要、中等重要、一般重要和不重要五个等级，并将中等重要及其以上三个等级的区域合并，代表生态源地，并剔除面积小于10 km2，分布零碎的斑块。

2.2 生态阻力面构建

生态源地之间的物种和能量的联通和联系，会受到周围环境和人类活动的干扰，干扰程度的大小主要受所经过的土地利用类型的不同而影响[13]。参考安徽省生态环境和相关研究成果[8]，本文将安徽省各类土地利用类型的基本生态阻力系数设定为：林地 1，草地 20，耕地 30，水域 50，未利用土地400，建筑用地500。

2.3 生态廊道识别

生态廊道是与两侧基质不同的线状或带状的要素，是连接重要生态源地和物种迁移扩散的重要路径[34]。识别生态廊道并加以保护对研究区维护生态稳定性和生态要素的流动至关重要。确定生态廊道的方法基于Knaapen提出的最小阻力模型[35]，基本公式如下：

式中，MCR为最小累计阻力值，Dij为物种从源地j到目标地i的空间距离，Ri为景观单元i对于物种移动的阻力系数，f表示最小累积阻力和生态过程的正相关关系。

根据最小累计阻力模型的基于图层方式，可以提取出每个区到剩余n-1(n为生态源地个数)个生态源地的最小耗费路径，此时，只有一个源与一个相应的目标点相连接，作为生态源地间的关键廊道；再依次提取单个生态源地到其他所有源的最小耗费路径作为潜在生态廊道。

3 结果分析

3.1 生态重要性要素评价

由表1与2中的公式，得到生态重要性要素评价结果如图1和2。在水源涵养功能方面，极重要区域更多分布在南部高海拔地区，其原因是南部地区较西部大别山地区降水更为充足，植被净初级生产力较高，致使水源涵养能力高于大别山地区，整体水源涵养能力较弱，中等重要及其以上区域只占全省总面积的30.25%，且分布集中，主要原因是降水较多，但是对于降水的截流、渗透等能力较弱，导致降水过多地累积在地表，这也和经常发生洪涝灾害现象相关。水土保持功能重要性方面，重要和极重要地区主要分布在地势较高的南部的黄山地区和西部的大别山地区，此外还零散地分布在来安县、滁州市和全椒县等地，这些地区的海拔较高、地形起伏较大、土壤可蚀性较高，易发生土壤侵蚀和水土流失等问题。生物多样性重要性分布呈现出明显的带状特征，由北往南，重要性逐渐增加，主要原因是南部降水较多、气温较高，对生物生长和栖息环境有利；在相同纬度的情况下，地势较高的地区重要性更高，土地利用类型以林地为主，是生物物种聚集和栖息的重要地带。

图1 生态重要性评价因子结果分布图

图2 生态重要性评价因子面积

3.2 生态敏感性要素评价

生态敏感性要素评价结果如图3和4，其中水土流失中极敏感、敏感和中等敏感区域三种等级的区域主要分布在坡度较高和地表植被较多地区，其中极敏感区域主要分布在研究区黄山山脉和大别山地区，这些地区降雨充足、地形坡度较高，土壤可蚀性高，致使降雨侵蚀力高，是水土流失的高发地带。在土地沙漠化敏感性评价方面，极重要地区主要分布在大别山南部、黄山地区的中部和安徽省的西北部，对于山区来说，主要是由于植被覆盖度比重高、坡度较高，而且沙风天数较多，北部的极敏感地区则是因为天气干燥导致。在土地石漠化敏感性评价方面总体来看，安徽省的土地沙漠化敏感性普遍偏低，60%的地区属于不重要地区。而对于前三敏感的地区来说，主要都是分布在高海拔和植被高覆盖地区。

图3 生态敏感性评价因子结果分布图

图4 生态敏感性性评价因子面积

3.3 生态安全格局构建

生态源地分布如图5所示。整体来看，生态源地的面积达到了62 150.34 km2，占整个安徽省面积的44.7%。生态源地分布相对集中在安徽省南部和东部地区，还有一些生态源地零散地分布在北边的蒙城县、泗县和太和县等，北部其他县市虽然也有分布，但是面积相对较少。

将生态源地分成生态源地过渡区、缓冲区和核心区三个等级[36]，其分布和土地利用占比如图6和表3所示。可以看出：耕地在全部生态源地中占比最大，达到了52.68%；核心区只有12.6%；占比最多的为林地；过渡区到核心区耕地占比逐渐减少，林地占比逐渐增加，在核心区林地占比达到了75.16%。这表明林地对于生态安全的维护具有重要作用。生态源地核心区是生态源地最重要区域，除禁止建筑用地和耕地的扩张外，还需要制定相关的规定来对此区域进行必要的保护，采取退耕还草、封山育林等保护措施；针对缓冲区，大多分布在平原与丘陵、山地相交地带，林地与耕地交错，需要适当划分好耕地和林地区域，适当实施退耕还林的措施，保护林地和草地区域，控制建筑用地的扩张；对于生态源地过渡区，大多分布在平原地区，耕地占比较大，相关部门需要加强对于耕地的保护，这一区域建筑用地占比较多，除了适当控制建筑用地的扩张之外，还需要对已有建筑用地的地区提出禁止污染，提高土地利用效率等要求，注重不同土地利用之间的兼顾和依存关系，让耕地、林地和建筑用地实现动态平衡。

表3 生态源地分级土地利用类型

图5 生态源地分布

根据生态廊道的24个目标地，提取生态廊道，结果如图7所示。在24个生态源地得到共19条关键生态廊道和93条潜在生态廊道。安徽省潜在生态廊道长度总长为5 072.32 km，关键生态廊道长度为246.63 km，关键生态廊道长度仅占全部廊道长度的4.8%，关键生态廊道不仅可以保证生态过程的进行，还可很好地发挥生态系统服务功能，满足生物物种沟通和能量传输的需要，维持了生态功能的连续性[12]。空间分布上，关键生态廊道并没有完全将所有生态源地相连，主要依靠潜在生态廊道保持所有生态源地之间的连通性，而关键廊道其主要分为四块区域，安徽省北部的萧县-泗县关键廊道和太和县-蒙城县-长丰县之间的关键廊道；安徽省东部的滁州市关键廊道，还有南部丘陵地区和大别山地区之间关键廊道。潜在生态廊道在大别山地区、滁州市、合肥市和马鞍山市交界处还有合肥市、蒙城县和凤阳县这三块区域联系较为紧密，这也与关键生态廊道分布相似。

图6 生态源地分级

通过潜在生态廊道，可以使生态源地间的连通性更加完整，和关键生态廊道一起构成更高水平的生态安全格局，充分发挥生态源地的生态功能，保障安徽省生态源地的生态安全。生态廊道所经过的土地利用类型的长度最多的三种类型为耕地、林地和草地。分布主要分布在人为活动较少、植被覆盖较多的地带；生态廊道要实现不同生态源地之间的连通，所以识别的生态廊道会出现穿过建设用地和未利用土地的情况。通过生态安全格局的构建，可以对特定生态过程的有效调控，从而保障生态系统功能及服务的充分发挥[20]。由图7可知，面积较多的土地利用类型为耕地和林地。这些区域动植物物种丰富，地表植被多，生态系统重要性和敏感性也较高，是全省优先保护的重点区域。此外，在实施退耕还林、荒山造林等措施的同时，不可盲目造林，要考虑土地承载力和自身特性，还需要加强对土地质量的保护，安徽省整体的海拔相差大、土壤质地和气候环境在南北分布极为不均，北方耕地较多，南边林地比重大，而且安徽省山区水土流失严重、皖江流域也常年发生洪涝灾害，需要因地制宜地开展相关生态保护措施。

生态廊道由关键生态廊道和潜在生态廊道组成。从总体来看可以将生态网络分为“三轴一环一网”。“三轴”分别由萧县-泗县、太和县-长丰县、和大别山山区-黄山丘陵三条关键廊道轴线组成，“一环”为滁州市及其地级县构成，“一网”则是由潜在生态廊道生成。萧县-泗县、太和县-长丰县两条关键生态廊道将北部零散的生态源地相连。前者位于宿州市，地貌要素的差异较大，大体上可分为丘陵、台地、平原三大类型，而后者横跨亳州市、淮南市和合肥市，地域差异大，城市人口多。滁州的关键生态廊道将滁州市及其地级县相连接，这片区域不仅跨长江、淮河两大流域，也有连接秦岭—大别山脉的皖山山脉，是生态重要性和敏感性的重要区域，要加强生态保护和监测，防止建筑用地破环生态廊道；大别山山区与黄山丘陵地带的关键廊道将两片海拔较高的地区的生态源地连接，实现了山区间生态过程的连续性和生态功能的完整性。“一网”则由潜在廊道构成，基本覆盖了整个研究区，将每个生态源地间相连接，实现了生态源地之间的互通。

面向省域构建生态安全格局，需要从系统和整体的视角来审视生态空间的分布和保护，在维护生态安全的过程中，要保证生态系统结构和过程不被破坏，基于省级管控模式，建立相应的保护制度；另外，除政府之外，企业和个人也应当承担维持生态系统稳定、保护生态环境的责任，发挥各自的优势，进而推进生态保护和改善生态环境；其次，对于已经破坏的生态资源，要完善生态修复和补偿机制；最后，所构建的安徽省生态格局要确保生态功能不降低、面积不减少、性质不改变，维护生态安全，促进经济社会可持续发展。

图7 生态廊道分布

4 小结

本文基于生态功能重要区和敏感区，利用最小累计阻力模型，对安徽省生态源地和生态廊道进行识别，构建了安徽省生态安全格局，得出以下结论：安徽省生态系统服务功能重要性空间分布从北向南重要性逐渐上升，在南部黄山地区达到最大值，安徽省生态系统服务功能重要性和敏感性区域分布不均；安徽省生态源地占安徽省总面积的44.7%，其面积达到了62 150.34 km2。